CH693544A5

CH693544A5 - Layered arrangement and method for retro reflection of light.

Info

Publication number: CH693544A5
Application number: CH01567/98A
Authority: CH
Inventors: Peter Urs Halter
Original assignee: Hera Rotterdam Bv
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2003-09-30
Also published as: DE19859126A1; US20010012153A1; DE19859126B4

Description

       

  



   Die Erfindung bezieht sich auf eine schichtige Anordnung und ein Verfahren zur Retroreflexion von Licht gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. 



  Zur Retroreflexion von Licht, bspw. in Reflexionslichtschranken, werden oft Retroreflexionsfolien verwendet, weil sie flexibel und praktisch in der Anwendung sind. Bei solchen optischen Rückstrahlern werden ein Zurückstrahlen in die Einfallsrichtung, ein hoher Reflexionsgrad und ein kleiner Kegelwinkel, unter welchem das Licht zurückgeworfen wird, verlangt. 



  In Reflexionslichtschranken werden üblicherweise Polarisationsfilter einge-setzt, um auch stark reflektierende Objekte zu erkennen. Typischerweise wird von einer Lichtquelle linear polarisiertes Licht ausgesandt, vom Rückstrahler seine Polarisationsrichtung gedreht, und ein Detektor ist mit einem Analysator versehen, welcher nur Licht mit um 90 DEG gedrehter Polarisationsrichtung durchlässt. Alternativ dazu kann das Licht vom Rückstrahler depolarisiert werden. Dank diesen Massnahmen werden stark reflektierende Objekte erkannt, weil sie normalerweise die Lichtpolarisation nicht verändern. Sollen Rückstrahler im Zusammenhang mit solchen Polarisationsfilter-Lichtschranken eingesetzt werden, so müssen sie also die Lichtpolarisation verändern, z. B. die Polarisation drehen oder das Licht depolarisieren. 



  Eine Polarisationsdrehung kann auf zwei verschiedene Arten erreicht werden:
 A. Drehung der Polarisationsrichtung durch die Reflexionseigenschaften. Dazu wird eine Reflexions-Grenzfläche benötigt, welche nicht metallisch reflektiert, weil bei einer metallischen Reflexion die Polarisation exakt erhalten bleibt. Dies wird üblicherweise mit einer Grenzfläche zweier Dielektrika wie z. B. Glas - Luft oder Acrylglas (Plexiglas) - Luft erreicht. Bei genügend grossen Einfallswinkeln im optisch dichteren Dielektrikum tritt Totalreflexion auf, und die Lichtpolarisation wird dabei verändert.
 B. Drehung der Polarisationsrichtung durch Doppelbrechung. Doppelbrechung wird bspw. mithilfe von Spannungen in einem durchstrahlten Material, z. B. Acrylglas, erreicht (Spannungsdoppelbrechung).

   Man unterscheidet drei Typen von Retroreflexionsfolien:
 i) Retroreflexionsfolien, die auf einer Tripelstruktur basieren (teilweise mit unterschiedlich stark angeschnittenen Tripeln) und deren Rückseite metallisch verspiegelt ist. Bei solchen Folien kann der Selbstkleber der Folie direkt auf die verspiegelte Oberfläche aufgebracht werden.
 ii) Retroreflexionsfolien, die auf einer Tripelstruktur basieren (teilweise mit unterschiedlich stark angeschnittenen Tripeln) und deren Rückseite an Luft grenzt, sodass eine Fresnel-Reflexion an der Grenzschicht Rückseite - Luft stattfinden kann. Um solche Folien auch bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen einsetzen zu können, muss die Rückseite der Folie möglichst hermetisch verpackt werden, damit dort keine Verschmutzung oder Kondensation von Wasser auftritt.

   Dies wird normalerweise mithilfe einer Schutzfolie hinter der eigentlichen Retroreflexionsfolie er reicht, wobei die Schutzfolie mit der Retroreflexionsfolie verschweisst oder verklebt wird. Typisch an solchen Folien sind ihre Schweissstellen, welche üblicherweise ein Wabenmuster oder ein ähnliches Muster zeigen,
 iii) Retroreflexionsfolien, die auf Glaskugeln basieren, welche an der Rückseite verspiegelt sind. Bei diesem Typ können drei Untertypen unterschieden werden:
 a) Nackte Glaskugeln an der Oberfläche.
 b) Nackte Glaskugeln, geschützt vor Verschmutzung und/oder Benetzung durch eine darüber liegende Schutzfolie. Ein solcher Schutz ist empfehlenswert, weil sich die Brechung an den Glaskugeln stark ändert, wenn die Glaskugeln verschmutzt und/oder mit einer Flüssigkeit oder einem Kleber benetzt werden; die Eigenschaft der starken Retroreflexion geht dann verloren.

   Die Schutzfolie muss zur Retroreflexionsfolie hin abgedichtet werden, was auch hier mit einer Verschweissung oder allenfalls mit einer Verklebung geschieht (vgl. Typ ii)). Daher weist auch dieser Untertyp Schweissnähte in einem Wabenmuster auf.
 c) In einem Epoxidharz eingebettete Glaskugeln. Auf diese Weise sind die Glaskugeln vor Verschmutzung und/oder Benetzung geschützt. 



  Ein erstes wichtiges Kriterium für Retroreflexionsfolien ist ihr zulässiger Verkippungswinkel be-züglich eines einfallenden Lichtstrahls. Die Retroreflexions-folien der Typen i) und ii) haben den Nachteil, dass ihr Reflexionsgrad bei einer Verkippung stark abnimmt. Im Allgemeinen sinkt der Reflexionsgrad bei diesen Retroreflexionsfolien bereits bei einem Verkippungswinkel von ca. 10 DEG  massgeblich; bei Verkippungswinkeln von 30 DEG  ist ihr Reflexionsgrad zumeist untolerierbar niedrig. Dies bedeutet eine starke Einschränkung im praktischen Einsatz. Retroreflexionsfolien des Typs iii) erlauben dagegen einen Einsatz bis zu Verkippungswinkeln von ca. 40 DEG . 



   Ein zweites Kriterium für Retroreflexionsfolien ist ihre Einsetzbarkeit in Polarisationsfilter-Reflexionslichtschranken. Retroreflexionsfolien des Typs i) sind für Anwendungen in Polarisationsfilter-Reflexionslichtschranken schlecht geeignet, weil bei ihnen theoretisch keine und praktisch zumindest keine kontrollierte (durch Spannungsdoppelbrechung verursachte) Polarisationsänderung auftritt. Retroreflexionsfolien des Typs
 iii) sind völlig ungeeignet, weil weder in der Theorie noch in der Praxis eine Polarisationsänderung auftritt. Für Anwendungen in Polarisationsfilter-Reflexionslichtschranken scheinen sich also nur Retroreflexionsfolien des Typs ii) zu eignen. 



  Es gibt aber ein drittes Kriterium für Retroreflexionsfolien, welches den Einsatz von Retroreflexionsfolien des Typs ii) in Laser-Reflexionslichtschranken problematisch macht: die Homogenität der Folie. Laserlichtschranken erzeu-gen einen örtlich scharf definierten Lichtstrahl mit kleinem Durchmesser. Häufig ist der Laserstrahl fokussiert, sodass der Lichtfleck in gewissen Abständen von der Laserlichtquelle deutlich kleiner ist als 1 mm. Werden Retroreflexionsfolien des Typs ii) in solchen Laserlichtschranken eingesetzt, so stören die Schweissstellen, weil sie inaktive, nicht-reflektierende Bereiche darstellen. Fährt der Laserstrahl entlang der Retroreflexionsfolie, so schaltet der Sensor wegen dieser Schweissstellen ein und aus. 



  Es gibt also bis anhin keine Retroreflexionsfolien, welche die Kriterien
 - hoher Reflexionsgrad bei Verkippung
 - kontrollierbare, stabile Polarisationsänderung
 - örtlich homogener Reflexionsgrad 
 in nahezu idealer Weise erfüllen würden. 



   Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Retroreflexion von Licht anzugeben, welche die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweisen. 



  Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemässe Anordnung und das erfindungsgemässe Verfahren, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. 



  Die erfindungsgemässe schichtige Anordnung zur Retroreflexion von Licht beinhaltet eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei mittels der ersten Schicht der Polarisationszustand des Lichtes veränderbar ist und mittels der zweiten Schicht zumindest ein Teil des Lichtes retroreflektierbar ist. Die erste und die zweite Schicht müssen nicht etwa in sich homogen sein, sondern jede dieser Schichten kann selbst aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein. Die erfindungsgemässe Anordnung kann nebst der ersten und zweiten Schicht auch noch weitere Schichten beinhalten. 



  Die erste und zweite Schicht sind vorzugsweise möglichst kompakt und homo-gen aufeinander aufgebracht, bspw. mittels einer Haftschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht. So bilden sie ein einheitliches Laminat. Wich-tig ist eine perfekte Laminierung, bei welcher keine Luftblasen auftreten. Die Haftschicht kann ein separat aufgetragener Spezialkleber oder eine Haft-schicht einer selbstklebenden polarisationsändernden Folie sein. Die erfindungsgemässe schichtige Anordnung ist vorzugsweise biegsam, sodass sie eine Retroreflexionsfolie bildet. 



   Die erste Schicht bildet in der bevorzugten Ausführungsform die Oberseite der Anordnung. Sie soll daher möglichst umweltresistent sein, also z. B. un-empfindlich gegen Wasser und gegen möglichst viele Arten von Reinigungs-mitteln. Sie soll ausserdem sehr transparent und plan sein, um kein Licht zu absorbieren oder in undefinierte Richtungen abzulenken. Als Materialien kommen bspw. geeignete Kunststofffolien infrage. 



  Die erste Schicht ist bspw. als Phasenverzögerungselement, insbesondere als Lambda/4-Verzögerungsfolie aus Kunststoff, ausgebildet. Sie ist also vorzugs-weise doppelbrechend und so zu recken, dass eine geeignete Doppelbrechung auftritt. Die Doppelbrechung soll einen guten Wert erreichen, damit die Pola-risationsrichtung beim zweifachen Durchgang durch die erste Schicht mög-lichst um 90 DEG  gedreht wird; zu diesem Zweck wird eine Phasenverzögerung von einem Viertel der Lichtwellenlänge (Lambda/4) oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon eingeführt. Bei der Ausführungsform mit einer Lambda/4-Folie funktioniert die Anordnung nur dann gut, wenn die Polarisationsrich-tung des einfallenden Lichtes um ca. +/-45 DEG  zu den Achsen der Doppelbre-chung ausgerichtet ist.

   Die Anordnung wird deshalb vorzugsweise in einem definierten Winkel zu den Doppelbrechungsachsen geschnitten oder markiert; in der Anwendung muss diese Orientierung (Drehwinkel mit Achse parallel zum einfallenden Lichtstrahl) eingehalten werden. 



  Die erste Schicht kann auch als Flüssigkristallschicht ausgebildet sein, welche den Polarisationszustand von einfallendem Licht verändert. Dies kann z.B. mit einem Flüssigkristall mit schief gestellten Molekülen erreicht werden. Dabei muss nicht notwendigerweise eine elektrische Spannung an den Flüssigkristall angelegt werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Flüssigkristallfilm nicht in allen Fällen im Drehwinkel (Drehachse parallel zum einfallenden Lichtstrahl) ausgerichtet werden muss. Dies im Gegensatz zur Ausführungsform mit einem Phasenverzögerungselement, bei welchen eine Ausrichtung wie oben beschrieben nötig ist. 



  In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung kann die erste Schicht als Zirkularpolarisator ausgebildet sein. Zirkularpolarisatoren bestehen üblicherweise aus einem Lambda/4-Verzögerungselement und einem anschliessenden, richtig orientierten Linearpolarisator; sie sind als Platten oder als Folien erhältlich. In der erfindungsgemässen Anordnung ist das Lambda/4-Verzögerungselement dem einfallenden Licht zugewandt, und der Linearpolarisator liegt zwischen dem Lambda/4-Verzögerungselement und der zweiten Schicht. Je nach Drehorientierung (Drehachse parallel zur Achse des einfallenden Lichtes) des Zirkularpolarisators zum einfallenden, linear polarisierten Licht sind verschiedene Fälle denkbar:
 - Eine Verzögerungsachse und die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes bilden einen Winkel von 45 DEG .

   Das einfallende Licht wird zuerst durch das Verzögerungselement in zirkulär polarisiertes Licht und durch den Linearpolarisator wieder in linear polarisiertes Licht umgewandelt. Es wird an der zweiten Schicht retroreflektiert, wobei keine Polarisations-änderung eintritt. Danach wird es durch den Linearpolarisator transmittiert und schliesslich bei der zweiten Durchquerung des Verzögerungselementes wieder in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt. 
 - Eine Verzögerungsachse und die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes fallen zusammen. Bei der ersten Durchquerung des Verzögerungs-elementes wird die Lichtpolarisation nicht verändert, aber im Linearpola-risator wird ein Teil des Lichtes absorbiert. Auf die zweite Schicht trifft linear polarisiertes Licht auf, dessen Polarisationsrichtung gegenüber derjenigen des einfallenden Lichtes um 45 DEG  gedreht ist.

   Das Licht wird von der zweiten Schicht ohne Polarisationsänderung retroreflektiert. Bei der zweiten Durchquerung des Linearpolarisators ändert sich die Polari-sation wiederum nicht; bei der zweiten Durchquerung des Verzögerungs elementes wird schliesslich das Licht in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt.
 - Liegt die gegenseitige Orientierung von Verzögerungsachse und Polarisationsrichtung zwischen den oben beschriebenen Spezialfällen, so wird das einfallende Licht zuerst in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt und dann linear polarisiert. Zum Schluss wird es wiederum als zirkulär polarisiertes Licht zurückgesandt. 



  Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Zirkularpolarisator nicht im Drehwinkel (Drehachse parallel zum einfallenden Lichtstrahl) ausgerichtet werden muss. Dieser Vorteil muss durch den Nachteil erkauft werden, dass weniger als die Hälfte des Lichtes retroreflektiert wird als bei einer vergleich-baren Ausführungsform, in welcher die erste Schicht bloss aus einem Phasenverzögerungselement besteht. 



  In einer weiteren Ausführungsform kann die erste Schicht als Depolarisator ausgebildet sein. 



  Die zweite Schicht kann bspw. derart beschaffen sein, dass sie einfallendes Licht ohne Phasenverzögerung reflektiert, bspw. metallisch reflektiert. Sie kann kugelförmige oder tripelförmige retroreflektierende Strukturen enthal-ten, welche auf einer Seite zumindest teilweise metallisch verspiegelt sein können. Für solche Strukturen eignen sich z. B. Retroreflexionsfolien des oben beschriebenen Typs iii), weil sie einen hohen Reflexionsgrad über einen grossen Kippwinkelbereich von 0 DEG  bis zu ca. 40 DEG  aufweisen. Diese Eigenschaft wird durch eine geeignet gewählte erste Schicht kaum beeinträchtigt und ist eine ideale Voraussetzung für alle Anwendungen von Retroreflektoren. Retro-reflexionsfolien des Typs iii) weisen einen eher grossen Rückstrahlwinkel des Lichtes auf. Eine solche Divergenz kann ein Nachteil sein, wenn das Licht grosse Strecken (z.

   B. > 1 m) durchlaufen muss. Bei grossen Lichtstrecken können jedoch selbst bei Laser-Reflexionslichtschranken meist Retroreflexionsfolien des Typs ii) eingesetzt werden, ohne dass die Schweissnähte stören würden. Im Nahbereich ist der relativ grosse Rückstrahlwinkel kein Nachteil; im Gegenteil: Der Blindbereich einer Reflexionslichtschranke kann dank dem Rückstrahlwinkel kleiner werden. 



  Als erste Schicht sind insbesondere Retroreflexionsfolien des oben beschrie-benen Untertyps iii)c), d.h. in einer Trägerschicht eingebettete Glaskugeln, geeignet. Als Trägerschicht wird vorzugsweise Epoxidharz verwendet, weil es kaum eine Doppelbrechung aufweist und deshalb keinen Einfluss auf die Lichtpolarisation hat. Die anderen zwei Untertypen von Retroreflexionsfolien sind aus folgenden Gründen weniger geeignet. Bei Untertyp iii)a) würden die Glaskugeln nach einer Verklebung mit einer ersten, polarisationsändernden Schicht als Retroreflektoren inaktiv. Untertyp iii)b) hat den Nachteil, dass das Wabenmuster inaktive Stellen bezüglich der Retroreflexion aufweist. 



  Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen schichtigen Anordnung verwendet Retroreflexionsfolien des Untertyps iii)a) als zweite Schicht. In dieser Ausführungsform wird die erste Schicht (vorzugsweise in Form einer Phasenverzögerungsfolie) nicht auf die zweite Schicht aufgeklebt, sondern nur aufgelegt. Im Normalfall benötigt diese Anordnung ringsherum einen Schutz. Sie kann bspw. hinter eine Glas- oder Plexiglasabdeckung geklebt werden. Der rückseitige Schutz kann z. B. mit einem doppelseitigen Klebeband er-reicht werden. 



  Eine weitere Ausführungsform basiert auf einem Mikroprismen-Tripelreflektor mit verspiegelter Rückseite gemäss Typ i), auf dessen Vorderseite eine erste Schicht, bspw. eine Phasenverzögerungsfolie, aufgebracht ist. Der Tri pelreflektor darf (ohne erste Schicht) keine Doppelbrechung aufweisen. Dies kann erreicht werden durch sehr dünnes Reflektormaterial, durch Temperung und/oder durch spannungsarme Herstellung des Reflektors. 



  Das erfindungsgemässe Verfahren zur Retroreflexion von Licht mittels einer schichtigen Anordnung, welche eine erste Schicht und eine zweite Schicht beinhaltet, enthält folgende Schritte:
 a) das Licht durchquert die erste Schicht ein erstes Mal,
 b) zumindest ein Teil des Lichtes wird an der zweiten Schicht retroreflektiert und
 c) der retroreflektierte Teil des Lichtes durchquert die erste Schicht ein zweites Mal;
 dabei wird der Polarisationszustand des Lichtes bei der ersten und/oder zwei-ten Durchquerung der ersten Schicht verändert. 



  Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren detailliert erläutert. Dabei zeigen schematisch: 
 
   Fig. 1-3 Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung, 
   Fig. 4 eine Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens an der Ausführungsform von Fig. 1 und 
   Fig. 5-7 Aufsichten auf verschiedene Ausführungsformen von Retroreflektoren mit Tripelstrukturen. 
 



   Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen schichtigen Anordnung. Die Anordnung ist als biegsame Ret-roreflektorfolie ausgebildet. Sie beinhaltet eine erste Schicht 1, welche vor-zugsweise als Phasenverzögerungsfolie aus Kunststoff ausgebildet ist, bspw. als Lambda/4-Folie. Als Alternative könnte die erste Schicht als Zirkularpolarisa-tor, als Depolarisator oder als Flüssigkristallschicht ausgebildet sein. Die Anordnung beinhaltet weiter eine zweite Schicht 2. Diese enthält retroreflektive Strukturen, vorzugsweise in Form von Glaskugeln 21.1, 21.2, ... mit typi-schen Durchmessern im Bereich von ca. 0.1 mm. Die Glaskugeln 21.1, 21.2, ... sind auf ihrer Rückseite 23 mit einer metallischen Reflexionsschicht 24 ver-spiegelt. Sie sind in einer Trägerschicht 25, vorzugsweise Epo-xidharz, einge-bettet.

   Die erste Schicht 1 und die zweite Schicht 2 sind mit einer ersten Haft-schicht 3 zusammen verbunden. Ein einfallender Lichtstrahl 8, welcher retroreflektiert werden soll, fällt von einer Vorderseite 10 her auf die Anordnung ein und verlässt die Anordnung auch wieder von der Vorderseite 10 her als retroreflektierter Lichtstrahl 9. Auf einer Rückseite 20 ist die Anordnung mit einer zweiten Haftschicht 4 versehen, welche dazu dient, die Anordnung auf einen vorgesehenen (nicht eingezeichneten) Träger zu befestigen. Die zweite Haftschicht 4 ist mit einer Schutzfolie 5 geschützt, welche vor der Befestigung der Anordnung auf einen Träger entfernt wird. 



  In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung mit einer zweiten Schicht 2 in Form einer Retroreflexionsfolie des Untertyps iii)a) dargestellt. Hier sind die Glaskugeln 21.1, 21.2, ... nicht oder zumindest nicht vollständig in einer Trägerschicht eingebettet, sondern ihre Oberseite 22 liegt frei in einer Luftschicht 26. Die Phasenverzögerungsfolie 1 ist auf der Glaskugel-oberseite 22 aufgelegt. Zum Schutz vor äusseren mechanischen Einwirkungen ist es vorteilhaft, die Anordnung mit einer festen Schutzabdeckung 6 zu versehen, bspw. mit einer Glas- oder Plexiglasplatte. Zwischen der Phasen verzögerungsfolie 1 und der Schutzabdeckung 6 befindet sich eine dritte Haft-schicht 7 oder eine Luftschicht. 



  Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung mit einer zweiten Schicht 2 in Form einer Retroreflexionsfolie des Typs i) ist in Fig. 3 darge-stellt. Hier beinhaltet die zweite Schicht eine Mikro-prismen-Tripelstruktur 27 (vgl. Fig. 5-7), deren Rückseite 28 mit einer Metallschicht 24 metallisch ver-spiegelt ist. Die Mikroprismen-Tripelstruktur 27 ist auf einer Trägerfolie 29 aufgebracht; die einzelnen Tripel weisen typische Dimensionen von ca. 0.1-0.5 mm auf. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform derjenigen von Fig. 1. 



  Fig. 4 zeigt schematisch das erfindungsgemässe Verfahren zur Retroreflexion von Licht an der Anordnung von Fig. 1, wobei aus Gründen der Übersicht-lichkeit die Dickenverhältnisse der einzelnen Schichten nicht unbedingt mit denjenigen von Fig. 1 übereinstimmen. Ein einfallender Lichtstrahl 8 sei z. B. in x-Richtung linear polarisiert. Die Hauptachsen der Lambda/4-Folie 1 lie-gen in der xy-Ebene und schliessen mit der x-Achse einen Winkel von +45 DEG  (schnelle Achse) bzw. -45 DEG  (langsame Achse) ein. Nach einer ersten Durch-querung der Lambda/4-Folie 1 ist der Lichtstrahl 81 also rechts zirkulär pola-risiert. Zumindest ein Teil des Lichtes 81 wird an der zweiten Schicht 2 retroreflektiert. Bei dieser metallischen Reflexion wird der Polarisationszustand des Lichtes von rechts zirkulär auf links zirkulär umgewandelt.

   Der ret-roreflektierte Teil 91 des Lichtes durchquert die Lambda/4-Folie 1 ein zweites Mal; dabei wird das links zirkulär polarisierte Licht 91 in Licht 9 umgewandelt, welches in y-Richtung linear polarisiert ist. 



  Die Fig. 5-7 zeigen Aufsichten verschiedener Ausführungsformen von Tripelstrukturen 27.1, 27.2, 27.3, welche für die zweite Schicht 2 der erfin dungsgemässen Anordnung verwendbar sind. Eine solche Tripelstruktur 27.1, 27.2, 27.3 beinhaltet eine Mehrzahl von Punkten 70 ("Würfelecken"), an denen sich drei unter je 90 DEG zueinander stehende Spiegelflächen 71, 72, 73 treffen; sie hat die Eigenschaft, einen grossen Teil von (nicht eingezeichnetem) ein-fallendem Licht in die Einfallsrichtung zurückzuwerfen. Die Tripelstrukturen 27.1, 27.2, 27.3 können bspw. auf ihren Rückseiten metallisch verspiegelt, d.h. mit einer Metallschicht bedeckt sein (vgl. Fig. 3). Fig. 5 zeigt eine Struktur 27.1 mit vollständigen Tripein, Fig. 6 eine Struktur 27.2 mit angeschnittenen Tripeln und Fig. 7 eine Struktur 27.3 mit angeschnittenen, schiefen Tripeln. 



  Während hier nur einzelne vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung diskutiert werden konnten, ist es dem Fachmann möglich, bei Kenntnis der Erfindung weitere Ausführungsformen herzuleiten, welche ebenfalls zur Erfin-dung gehören.



  



   The invention relates to a layered arrangement and a method for retroreflection of light according to the preambles of the independent claims.



  Retroreflection foils are often used to retroreflect light, for example in reflection light barriers, because they are flexible and practical to use. Such optical retroreflectors require retroreflection in the direction of incidence, a high degree of reflection and a small cone angle at which the light is reflected.



  Polarization filters are usually used in reflection light barriers in order to detect even highly reflective objects. Typically, linearly polarized light is emitted by a light source, its polarization direction is rotated by the reflector, and a detector is provided with an analyzer which only transmits light with a polarization direction rotated by 90 °. Alternatively, the light can be depolarized by the reflector. Thanks to these measures, highly reflective objects are recognized because they normally do not change the light polarization. If reflectors are to be used in connection with such polarization filter light barriers, they must change the light polarization, e.g. B. rotate the polarization or depolarize the light.



  A polarization rotation can be achieved in two different ways:
 A. Rotation of the polarization direction through the reflection properties. This requires a reflection interface that does not reflect metal because the polarization is exactly retained in the case of a metallic reflection. This is usually done with an interface of two dielectrics such as e.g. B. Glass - air or acrylic glass (plexiglass) - air reached. With sufficiently large angles of incidence in the optically denser dielectric, total reflection occurs and the light polarization is changed in the process.
 B. Rotation of the polarization direction by birefringence. Birefringence is, for example, using stresses in a irradiated material, e.g. B. acrylic glass, achieved (stress birefringence).

   There are three types of retroreflective sheeting:
 i) Retroreflective foils, which are based on a triple structure (partly with triple sections cut to different degrees) and the back of which is metallically mirrored. With such foils, the self-adhesive of the foil can be applied directly to the mirrored surface.
 ii) Retroreflective foils, which are based on a triple structure (sometimes with triples of different thicknesses) and the back of which borders on air, so that a Fresnel reflection can take place at the rear-air boundary layer. In order to be able to use such films even under different environmental conditions, the back of the film must be packaged as hermetically as possible, so that no contamination or condensation of water occurs there.

   This is usually achieved with the help of a protective film behind the actual retroreflective sheeting, the protective film being welded or glued to the retroreflective sheeting. Typical of such foils are their welding points, which usually show a honeycomb pattern or a similar pattern,
 iii) Retroreflective foils based on glass spheres, which are mirrored on the back. There are three sub-types of this type:
 a) Naked glass balls on the surface.
 b) Bare glass balls, protected from dirt and / or wetting by a protective film above. Such protection is recommended because the refraction on the glass spheres changes significantly when the glass spheres become dirty and / or are wetted with a liquid or an adhesive; the property of strong retroreflection is then lost.

   The protective film must be sealed towards the retroreflective film, which is also done here by welding or, if necessary, gluing (see type ii)). Therefore, this sub-type also has weld seams in a honeycomb pattern.
 c) Glass balls embedded in an epoxy resin. In this way, the glass balls are protected from dirt and / or wetting.



  A first important criterion for retroreflective foils is their permissible tilt angle with respect to an incident light beam. The retroreflection foils of types i) and ii) have the disadvantage that their reflectance decreases sharply when tilted. In general, the reflectance of these retroreflective films drops significantly already at a tilt angle of approximately 10 °; at angles of tilt of 30 ° their reflectance is mostly intolerably low. This means a severe limitation in practical use. Retroreflective foils of type iii), on the other hand, allow use up to tilt angles of approx. 40 °.



   A second criterion for retroreflective foils is their usability in polarization filter reflection light barriers. Retroreflection foils of type i) are poorly suited for applications in polarization filter reflection light barriers because theoretically no and practically no controlled polarization change (caused by voltage birefringence) occurs. Retroreflective sheeting of the type
 iii) are completely unsuitable because there is no change in polarization either in theory or in practice. For applications in polarization filter reflection light barriers only retroreflection foils of type ii) seem to be suitable.



  However, there is a third criterion for retroreflective sheeting, which makes the use of retroreflective sheeting of type ii) in laser reflection light barriers problematic: the homogeneity of the sheeting. Laser light barriers produce a locally defined light beam with a small diameter. The laser beam is often focused, so that the light spot at certain distances from the laser light source is significantly smaller than 1 mm. If type ii) retroreflective foils are used in such laser light barriers, the welding points are disruptive because they represent inactive, non-reflecting areas. If the laser beam travels along the retroreflective sheeting, the sensor switches on and off because of these welds.



  So far, there are no retroreflective foils that meet the criteria
 - high degree of reflection when tilted
 - Controllable, stable polarization change
 - locally homogeneous reflectance
 would meet in an almost ideal way.



   It is an object of the invention to provide an arrangement and a method for retroreflecting light which do not have the disadvantages described above.



  The object is achieved by the arrangement according to the invention and the method according to the invention as defined in the independent patent claims.



  The layered arrangement according to the invention for retroreflection of light includes a first layer and a second layer, the state of polarization of the light being changeable by means of the first layer and at least part of the light being retroreflective by means of the second layer. The first and second layers do not have to be homogeneous in themselves, but each of these layers can itself be composed of several layers. In addition to the first and second layers, the arrangement according to the invention can also include further layers.



  The first and second layers are preferably applied to one another as compactly and homogeneously as possible, for example by means of an adhesive layer between the first and second layers. This is how they form a uniform laminate. It is important to have a perfect lamination with no air bubbles. The adhesive layer can be a separately applied special adhesive or an adhesive layer of a self-adhesive polarization-changing film. The layered arrangement according to the invention is preferably flexible, so that it forms a retroreflective sheeting.



   In the preferred embodiment, the first layer forms the top of the arrangement. It should therefore be as environmentally resistant as possible. B. insensitive to water and as many types of cleaning agents as possible. It should also be very transparent and flat so that it does not absorb light or deflect it in undefined directions. Suitable plastic films, for example, are suitable as materials.



  The first layer is designed, for example, as a phase delay element, in particular as a lambda / 4 delay film made of plastic. It is therefore preferably birefringent and should be stretched in such a way that a suitable birefringence occurs. The birefringence should achieve a good value so that the polarization direction is rotated by 90 ° as much as possible when passing through the first layer twice; For this purpose, a phase delay of a quarter of the light wavelength (Lambda / 4) or an odd multiple thereof is introduced. In the embodiment with a lambda / 4 foil, the arrangement only works well if the direction of polarization of the incident light is aligned by approximately +/- 45 ° to the axes of the double refraction.

   The arrangement is therefore preferably cut or marked at a defined angle to the birefringence axes; this orientation (angle of rotation with axis parallel to the incident light beam) must be observed in the application.



  The first layer can also be designed as a liquid crystal layer, which changes the polarization state of incident light. This can e.g. can be achieved with a liquid crystal with tilted molecules. An electrical voltage does not necessarily have to be applied to the liquid crystal. An advantage of this embodiment is that the liquid crystal film does not always have to be aligned in the angle of rotation (axis of rotation parallel to the incident light beam). This is in contrast to the embodiment with a phase delay element, in which an alignment as described above is necessary.



  In another embodiment of the arrangement according to the invention, the first layer can be designed as a circular polarizer. Circular polarizers usually consist of a lambda / 4 delay element and a subsequent, correctly oriented linear polarizer; they are available as sheets or foils. In the arrangement according to the invention, the lambda / 4 delay element faces the incident light, and the linear polarizer lies between the lambda / 4 delay element and the second layer. Depending on the rotational orientation (axis of rotation parallel to the axis of the incident light) of the circular polarizer for the incident, linearly polarized light, various cases are conceivable:
 - A deceleration axis and the direction of polarization of the incident light form an angle of 45 °.

   The incident light is first converted into circularly polarized light by the delay element and back into linearly polarized light by the linear polarizer. It is retroreflected on the second layer, with no change in polarization. It is then transmitted through the linear polarizer and finally converted into circularly polarized light when the delay element is crossed a second time.
 - A deceleration axis and the direction of polarization of the incident light coincide. When the delay element is crossed for the first time, the light polarization is not changed, but part of the light is absorbed in the linear polarizer. Linearly polarized light strikes the second layer, the direction of polarization of which is rotated by 45 ° with respect to that of the incident light.

   The light is retroreflected by the second layer without changing the polarization. When the linear polarizer is crossed a second time, the polarization in turn does not change; in the second crossing of the delay element, the light is finally converted into circularly polarized light.
 - If the mutual orientation of the deceleration axis and polarization direction lies between the special cases described above, the incident light is first converted into elliptically polarized light and then linearly polarized. Finally, it is sent back as circularly polarized light.



  This embodiment has the advantage that the circular polarizer does not have to be aligned in the angle of rotation (axis of rotation parallel to the incident light beam). This advantage has to be bought with the disadvantage that less than half of the light is retroreflected than in a comparable embodiment in which the first layer consists only of a phase delay element.



  In a further embodiment, the first layer can be designed as a depolarizer.



  The second layer can, for example, be designed in such a way that it reflects incident light without a phase delay, for example it reflects metal. It can contain spherical or triple-shaped retroreflective structures, which can be at least partially metallically mirrored on one side. For such structures z. B. retroreflection films of the type iii) described above, because they have a high degree of reflection over a large tilt angle range from 0 ° to about 40 °. This property is hardly affected by a suitably chosen first layer and is an ideal prerequisite for all applications of retroreflectors. Retro-reflective foils of type iii) have a rather large angle of reflection of the light. Such divergence can be a disadvantage if the light spans long distances (e.g.

   B.> 1 m). With large light paths, however, retroreflective foils of type ii) can usually be used even with laser reflection light barriers without the weld seams being disruptive. In the close range, the relatively large reflection angle is not a disadvantage; on the contrary: the blind area of a retro-reflective sensor can become smaller thanks to the reflection angle.



  The first layer includes, in particular, retroreflective foils of the subtype iii) c) described above, i.e. glass balls embedded in a carrier layer, suitable. Epoxy resin is preferably used as the carrier layer because it has hardly any birefringence and therefore has no influence on the light polarization. The other two sub-types of retroreflective sheeting are less suitable for the following reasons. In sub-type iii) a), the glass spheres would become inactive as retroreflectors after being bonded to a first, polarization-changing layer. Subtype iii) b) has the disadvantage that the honeycomb pattern has inactive areas with respect to retroreflection.



  Another embodiment of the layered arrangement according to the invention uses retroreflective foils of subtype iii) a) as the second layer. In this embodiment, the first layer (preferably in the form of a phase retardation film) is not adhered to the second layer, but is only placed on it. Normally, this arrangement needs protection all around. For example, it can be glued behind a glass or plexiglass cover. The back protection can e.g. B. with a double-sided tape.



  A further embodiment is based on a microprism triple reflector with a mirrored rear side according to type i), on the front side of which a first layer, for example a phase delay film, is applied. The triple reflector must not have birefringence (without the first layer). This can be achieved through very thin reflector material, through tempering and / or through low-stress manufacture of the reflector.



  The method according to the invention for retroreflection of light by means of a layered arrangement which contains a first layer and a second layer contains the following steps:
 a) the light passes through the first layer for the first time,
 b) at least part of the light is retroreflected on the second layer and
 c) the retroreflected part of the light passes through the first layer a second time;
 the state of polarization of the light is changed during the first and / or second crossing of the first layer.



  The invention is explained in detail below with reference to figures. The following schematically show:
 
   1-3 side views of various embodiments of the arrangement according to the invention,
   FIG. 4 shows the method according to the invention in the embodiment of FIGS. 1 and
   Fig. 5-7 plan views of different embodiments of retroreflectors with triple structures.
 



   1 shows a side view of a preferred embodiment of the layered arrangement according to the invention. The arrangement is designed as a flexible retroreflector foil. It contains a first layer 1, which is preferably designed as a phase retardation film made of plastic, for example as a lambda / 4 film. As an alternative, the first layer could be designed as a circular polarizer, as a depolarizer or as a liquid crystal layer. The arrangement further includes a second layer 2. This contains retroreflective structures, preferably in the form of glass spheres 21.1, 21.2, ... with typical diameters in the range of approximately 0.1 mm. The glass balls 21.1, 21.2, ... are mirrored on their rear side 23 with a metallic reflective layer 24. They are embedded in a carrier layer 25, preferably epoxy resin.

   The first layer 1 and the second layer 2 are bonded together with a first adhesive layer 3. An incident light beam 8, which is to be retroreflected, strikes the arrangement from a front side 10 and leaves the arrangement again from the front side 10 as a retroreflected light beam 9. The arrangement is provided with a second adhesive layer 4 on a rear side 20, which serves to fasten the arrangement on an intended support (not shown). The second adhesive layer 4 is protected with a protective film 5 which is removed before the arrangement is attached to a carrier.



  FIG. 2 shows an embodiment of the arrangement according to the invention with a second layer 2 in the form of a retroreflective sheeting of subtype iii) a). Here, the glass balls 21.1, 21.2, ... are not, or at least not completely, embedded in a carrier layer, but their top side 22 is exposed in an air layer 26. The phase delay film 1 is placed on the top side of the glass ball 22. To protect against external mechanical influences, it is advantageous to provide the arrangement with a fixed protective cover 6, for example with a glass or plexiglass plate. A third adhesive layer 7 or an air layer is located between the phase retardation film 1 and the protective cover 6.



  An embodiment of the arrangement according to the invention with a second layer 2 in the form of a retroreflective sheeting of type i) is shown in FIG. 3. Here the second layer contains a micro-prism triple structure 27 (cf. FIGS. 5-7), the rear side 28 of which is metallically mirrored with a metal layer 24. The microprism triple structure 27 is applied to a carrier film 29; the individual triples have typical dimensions of approx. 0.1-0.5 mm. Otherwise, this embodiment corresponds to that of FIG. 1.



  FIG. 4 schematically shows the method according to the invention for retroreflecting light on the arrangement of FIG. 1, the thickness ratios of the individual layers not necessarily corresponding to those of FIG. 1 for reasons of clarity. An incident light beam 8, for. B. linearly polarized in the x direction. The main axes of Lambda / 4 foil 1 lie in the xy plane and form an angle of +45 ° (fast axis) or -45 ° (slow axis) with the x axis. After a first crossing of the lambda / 4 foil 1, the light beam 81 is circularly polarized on the right. At least part of the light 81 is retroreflected on the second layer 2. With this metallic reflection, the polarization state of the light is circularly converted from right to left.

   The retroreflected part 91 of the light crosses the lambda / 4 film 1 a second time; the circularly polarized light 91 on the left is converted into light 9, which is linearly polarized in the y direction.



  5-7 show top views of different embodiments of triple structures 27.1, 27.2, 27.3 which can be used for the second layer 2 of the arrangement according to the invention. Such a triple structure 27.1, 27.2, 27.3 contains a plurality of points 70 ("cube corners") at which three mirror surfaces 71, 72, 73, each at 90 °, meet; it has the property of throwing back a large part of (not shown) incident light in the direction of incidence. The triple structures 27.1, 27.2, 27.3 can, for example, be metallically mirrored on their rear sides, i.e. be covered with a metal layer (see FIG. 3). FIG. 5 shows a structure 27.1 with complete tripein, FIG. 6 shows a structure 27.2 with cut triples and FIG. 7 shows a structure 27.3 with cut, oblique triples.



  While only individual advantageous embodiments of the invention could be discussed here, it is possible for the person skilled in the art to derive further embodiments with knowledge of the invention, which also belong to the invention.

Claims

1. Layered arrangement for retroreflection of light (8), which has a certain polarization state, comprising a first layer (1) and a second layer (2), characterized in that the polarization state of the light can be changed by means of the first layer (1) and at least part of the light can be retroreflected by means of the second layer (2).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the first layer (1) is designed as a phase delay element, as a circular polarizer, as a liquid crystal layer or as a depolarizer.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the first layer (1) is a retardation film made of plastic, which introduces a phase delay of lambda / 4 or an odd multiple thereof in the light.

4th

Arrangement according to one of claims 1-3, characterized in that the second layer (2) is such that it reflects light (81) metallically.

5. Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the second layer (2) contains spherical or triple-shaped retroreflective structures (21.1, 21.2, 27).

6. Arrangement according to claims 4 and 5, characterized in that the retroreflective structures (21.1, 21.2, ...; 27) are at least partially metallically mirrored on one side (23, 28).

7. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the second layer (2) in a carrier layer (25) contains embedded glass balls (21.1, 21.2, ...).

8th.

Arrangement according to one of claims 1-7, characterized in that an adhesive layer (3) is located between the first layer (1) and the second layer (2).

9. Arrangement according to one of claims 1-8, characterized in that the arrangement is flexible.

10. A method for retroreflection of light in a polarization state by means of a layered arrangement according to one of claims 1 to 9, which includes a first layer (1) and a second layer (2), wherein a) the light (8) crosses the first layer (1) for the first time, b) at least part (91) of the light (8) on the second layer (2) is retroreflected and c) the retroreflected part (91) of the light crosses the first layer (1) a second time, and the polarization state of the light is changed during the first and / or second crossing of the first layer (1).